EO

Hardnekkig katalysatorprobleem na vier decennia opgelost

17 januari 2019 om 10:58 uur

De onderzoekers zagen verschillen tussen de twee verschillende soort randen (rood en blauw) die van nature voorkomen op platinakatalysatoren. Aan zo’n rand kan H2 aan de bovenzijde of onderzijde landen. Voor beide typen stapranden kunnen de wetenschappers zelf bepalen welk deel direct aan de bovenzijde reageert (zoals bij blauw geillustreerd) of eerst aan de onderzijde landt (zoals bij rood).

Leidse en Eindhovense scheikundigen hebben na decennia de discussie beëindigd over het juiste model voor de eenvoudigste chemische reactie in heterogene katalyse, die essentieel is voor brandstofcellen. Met behulp van een uniek gekromd platinaoppervlak is aangetoond welk model de reactie met waterstof correct beschrijft.


Al bijna vier decennia woedde er in de scheikundige literatuur een heftige discussie: welke van de twee bestaande modellen voor de reactie van waterstof aan een platinakatalysator is juist? Met behulp van traditionele methoden bleek dit niet aan te tonen. De Leidse chemicus Ludo Juurlink besloot met zijn promovendus Richard van Lent en Michael Gleeson van Differ een nieuwe methode te ontwikkelen om sluitend bewijs te leveren, en met succes.

 

Een trap die steeds smaller wordt

De twee bestaande modellen voor heterogene katalyse geven verschillende voorspellingen over hoe de reactie van waterstof afhangt van de structuur van het platinaoppervlak. Door middel van metingen konden de onderzoekers de reactiviteit van waterstof bepalen en daarmee bewijzen welk model correct is. Hiervoor was het gekromd platinakristal cruciaal, een primeur van een Nederlands bedrijf in Zaandam. "Doordat het platinaoppervlak gekromd is, verloopt de atomaire structuur heel geleidelijk langs het oppervlak", legt Juurlink uit. "Je kunt die structuur vergelijken met een trap, waarvan de treden naar de randen toe steeds smaller worden. In het midden lijkt het meer op een balzaal." Het bleek dat de reactiviteit van waterstof lineair afhankelijk was van hoe dicht de traptreden op elkaar zitten. Hoe verder de traptreden uit elkaar zaten, hoe minder reactief waterstof was. "En daarmee viel het model dat een niet-lineair gedrag voorspelde af."

 

Unieke mogelijkheid

Het onderzoek werd verricht in hoog vacuüm en levert belangrijke inzichten op. "We weten nu beter hoe we de snelheid van chemische reacties moeten berekenen - één van beide modellen draagt namelijk niet significant bij", zegt Juurlink. "Daarnaast weten we nu dat die gekromde kristaloppervlakken een unieke, nieuwe mogelijkheid bieden om te leren hoe chemische reacties aan oppervlakken daadwerkelijk gebeuren. Daar gaan we zeker meer onderzoek mee doen."

 

Betere katalysatoren ontwikkelen

Bijna alle grote chemische industriële processen maken gebruik van heterogene katalyse. Katalysatoren zijn soms duur en zeldzaam, zoals platina: een veelgebruikte katalysator die in brandstofcellen en uitlaatsystemen van auto's zit. "Het aparte is dat we meestal niet eens echt weten hoe en waarom dergelijke katalysatoren chemische reacties versnellen", zegt Juurlink. Beter inzicht in dit hoe en waarom zal bijdragen aan het verduurzamen van de chemische industrie. "Op basis van beter begrip van wat er op atomair niveau gebeurt, kunnen we katalysatoren ontwikkelen die voor minder energieverlies zorgen en minder afhankelijk zijn van dure en zeldzame materialen."

 

Model niet correct

 

Een katalysator versnelt een chemische reactie zonder daarbij zelf verbruikt te worden. Bij heterogene katalyse is de katalysator meestal een vaste stof en de reactanten een gas of vloeistof. Juurlink legt het verschil tussen de twee modellen uit: "De twee modellen zijn gebaseerd op verschillende aannamen over hoe kinetische energie van het waterstofmolecuul ‘weglekt' tijdens de botsing met het platinaoppervlak." Ter verduidelijking geeft hij een voorbeeld: "Als een hond in een wak zit, kan hij daar op twee manieren terecht zijn gekomen. Of hij is vanaf de kant over het ijs gegleden en in het wak gevallen, of hij is vanaf de kant direct in het wak gesprongen." Het onderzoek laat nu zien dat waterstofmoleculen voornamelijk direct vanuit het gas aan de traptredenranden van platina reageren. "Het model dat ervanuit gaat dat de meest moleculen over het vlakke platinaoppervlak ‘schaatsend' bij de randen terecht komen en dan pas reageren is daarom niet correct."

 

Gerelateerd nieuws

Onderhoud sluizen en bruggen voorspeld door continue metingen

Onderhoud sluizen en bruggen voorspeld door continue metingen

Bruggen en sluizen die langer meegaan, minder energie verbruiken en minder vaak gestremd zijn. Dat is het resultaat als je beter kunt voorspellen wanneer onderhoud precies nodig is. In het programma Vitale Assets laten…

De Larense Denker van Rodin in ere hersteld met 3D-techniek

De Larense Denker van Rodin in ere hersteld met 3D-techniek

In 2007 werd het bronzen beeld ‘De Denker’ van Rodin gestolen uit de beeldentuin van museum Singer Laren. Twee dagen later werd het zwaar beschadigd teruggevonden. Een jaar later benaderde het museum Tonny Beentjes,…

Nieuwe deeltjes ontdekken met behulp van zwarte gaten

Nieuwe deeltjes ontdekken met behulp van zwarte gaten

Sommige theorieën die verder gaan dan het Standaardmodel van de elementairedeeltjesfysica voorspellen dat er nieuwe, ultralichte deeltjes bestaan met veel kleinere massa’s dan die van de lichtste bekende deeltjes in…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Safe PCB Nederland
Safe PCB Nederland

Printplaten/PCB's, prototype en series

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

23 november 2018, Groningen

BEYOND THE LAB: the DIY Science Revolution

Dit project laat zien dat mensen mee kunnen doen aan wetenschap en samen de verantwoordelijkheid delen...

Meer agendapunten »